Sprievodca metalurgickým prehľadom vysokovýkonnej austenitickej nehrdzavejúcej ocele --

1. Druhy nehrdzavejúcej ocele

Nerezová oceľ je zliatina na báze železa s obsahom chrómu najmenej 10,5 percenta. Je široko používaný kvôli svojej dobrej odolnosti proti korózii a vysokej teplote. Keď obsah chrómu dosiahne 10,5 percenta, na povrchu ocele sa vytvorí vrstva oxidu bohatého na chróm, ktorý sa nazýva pasivačná vrstva alebo pasivačný film. Táto fólia chráni nehrdzavejúcu oceľ pred koróziou ako bežná oceľ. Existuje mnoho druhov nehrdzavejúcej ocele, ale každá nehrdzavejúca oceľ by mala spĺňať požiadavku na minimálny obsah chrómu.

Nerezová oceľ je rozdelená do piatich kategórií: austenitická nehrdzavejúca oceľ, feritická nehrdzavejúca oceľ, duplexná nehrdzavejúca oceľ (so zmiešanou štruktúrou feritu a austenitu), martenzitická nehrdzavejúca oceľ a precipitačne kalená nehrdzavejúca oceľ. Klasifikácia týchto kategórií súvisí s kryštálovou štruktúrou (atómové usporiadanie) a tepelným spracovaním nehrdzavejúcej ocele. Skupina kryštálov s rovnakou kryštálovou štruktúrou v kove sa nazýva fáza. Nerezová oceľ má tri hlavné fázy: austenit, ferit a martenzit. Typ a množstvo metalografickej štruktúry nehrdzavejúcej ocele možno určiť štandardným procesom metalografickej kontroly a optickým metalografickým mikroskopom.

Charakteristickým znakom austenitickej nehrdzavejúcej ocele je, že metalografická štruktúra je prevažne austenitická. Kryštalická štruktúra austenitovej fázy je plošne centrovaná kubická (fcc) štruktúra, to znamená, že v každom rohu a strede každej strany kocky je atóm. Naproti tomu kryštálová štruktúra feritovej fázy je kubická štruktúra so stredom tela (bcc), s jedným atómom v každom rohu a strede kocky. Kryštalická štruktúra martenzitovej fázy je tetragonálna štruktúra zameraná na telo s vysokým napätím.

Kryštalická štruktúra austenitovej fázy je plošne centrovaná kubická (fcc) mriežka, feritová fáza je telesne centrovaná kubická (bcc) mriežka a martenzitová fáza je telom centrovaná tetragonálna (bct) mriežka.

 

1.1 Austenitická nehrdzavejúca oceľ:

Austenitická nehrdzavejúca oceľ nemá žiadny magnetizmus, strednú medzu klzu, vysokú rýchlosť vytvrdzovania, vysokú pevnosť v ťahu, dobrú plasticitu a vynikajúcu húževnatosť pri nízkych teplotách. Na rozdiel od iných nehrdzavejúcich ocelí húževnatosť austenitických nehrdzavejúcich ocelí pomaly klesá s poklesom teploty. Austenitická nehrdzavejúca oceľ nemá žiadnu jednoznačnú duktilno-krehkú prechodovú teplotu (DBTT), takže je ideálnym materiálom pre nízkoteplotné aplikácie.

Diagram duktilno-krehkej prechodovej teploty (DBTT) austenitickej, feritickej a duplexnej (austeniticko-feritickej) nehrdzavejúcej ocele. Skutočná DBTT závisí od hrúbky rezu, chemického zloženia a veľkosti zrna. DBTT feritickej nehrdzavejúcej ocele je zvyčajne 20 až - 30 stupňa C (70 až - 22 stupeň F).

 

Austenitická nehrdzavejúca oceľ má dobrú zvárateľnosť a možno z nej vyrobiť rôzne zložité tvary. Táto séria nehrdzavejúcich ocelí nemôže byť vytvrdená alebo spevnená tepelným spracovaním, ale môže byť spevnená tvárnením za studena alebo mechanickým kalením (pozri ASTM A666). Austenitická nehrdzavejúca oceľ, najmä štandardná austenitická nehrdzavejúca oceľ, má potenciálnu nevýhodu, to znamená, že v porovnaní s feritickou nehrdzavejúcou oceľou a duplexnou nehrdzavejúcou oceľou je náchylná na chloridové korózne praskanie.

Séria 300 alebo štandardná austenitická nehrdzavejúca oceľ vo všeobecnosti obsahuje 8 percent ~ 11 percent niklu a 16 percent ~ 20 percent chrómu. Metalografická štruktúra štandardnej austenitickej nehrdzavejúcej ocele pozostáva hlavne z austenitických zŕn a obsahuje malé množstvo (všeobecne 1~5 percent) δ feritovej fázy (obr. 3). Kvôli prítomnosti feritovej fázy majú tieto austenitické nehrdzavejúce ocele malý magnetizmus.

Typická metalografická štruktúra kovanej nehrdzavejúcej ocele 304L sa skladá z austenitických zŕn a jednotlivých pásikov feritu © TMR Stainless.

 

V porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou radu 300 má austenitická nehrdzavejúca oceľ radu 200 nižší obsah Ni, ale vyšší obsah Mn a N. Koeficient pevnosti a deformačného spevnenia nehrdzavejúcej ocele série 200 je vyšší ako koeficient nehrdzavejúcej ocele série 300. Kvôli nízkemu obsahu niklu sa nehrdzavejúca oceľ série 200 niekedy používa ako lacná náhrada za nehrdzavejúcu oceľ série 300.

Mikroštruktúra vysokoúčinnej austenitickej nehrdzavejúcej ocele je celá austenitická fáza bez feromagnetizmu (obr. 4). V porovnaní so štandardnou austenitickou nehrdzavejúcou oceľou obsahuje vysokovýkonná austenitická nehrdzavejúca oceľ viac prvkov niklu, chrómu a molybdénu a vo všeobecnosti obsahuje dusík. Tieto nehrdzavejúce ocele majú silnú odolnosť proti korózii v korozívnych prostrediach, ako sú silné kyseliny, silné alkálie a médiá s vysokým obsahom chloridov, vrátane poloslanej vody, morskej vody a slanej vody. V porovnaní so štandardnou austenitickou nehrdzavejúcou oceľou má vysokovýkonná austenitická nehrdzavejúca oceľ vyššiu pevnosť a lepšiu odolnosť proti praskaniu koróziou pod napätím.

Metalografická štruktúra 6 percent Mo vysokovýkonnej austenitickej nehrdzavejúcej ocele, všetko zložené z austenitických zŕn © TMR Stainless.

 

1.2 Feritická nehrdzavejúca oceľ:

Mikroštruktúra feritickej nehrdzavejúcej ocele je feritová fáza. Feritická nehrdzavejúca oceľ má nízky alebo žiadny obsah niklu a je feromagnetická. Nedá sa vytvrdiť tepelným spracovaním. Feromagnetické vlastnosti tohto typu nehrdzavejúcej ocele sú podobné vlastnostiam uhlíkovej ocele. Feritická nehrdzavejúca oceľ má dobrú pevnosť a odolnosť voči koróznemu praskaniu chloridmi je oveľa lepšia ako štandardná austenitická nehrdzavejúca oceľ série 300. Ich tvárnosť a zvárateľnosť sú však slabé. Ich húževnatosť nie je taká dobrá ako u austenitickej nehrdzavejúcej ocele a bude sa znižovať so zvyšujúcou sa hrúbkou profilu. S poklesom teploty bude feritická nehrdzavejúca oceľ vykazovať zjavný ťažný a krehký prechod. Obmedzené týmito faktormi je použitie feritickej nehrdzavejúcej ocele zvyčajne obmedzené na výrobky s tenšou hrúbkou steny, ako sú tenké dosky, pásy a tenkostenné rúry.

 

1.3 Duplexná nehrdzavejúca oceľ:

Duplexná nehrdzavejúca oceľ sa skladá z feritovej fázy a austenitovej fázy, pričom každá predstavuje asi polovicu. Duplexná nehrdzavejúca oceľ má mnoho vlastností austenitickej a feritickej nehrdzavejúcej ocele. Hoci tepelné spracovanie nemôže takéto ocele vytvrdiť, ich medza klzu je zvyčajne dvojnásobná v porovnaní so štandardnou austenitickou nehrdzavejúcou oceľou a ich magnetická príťažlivosť je úmerná objemovému podielu feritovej fázy. Vďaka duplexnej vlastnosti metalografickej štruktúry duplexnej nehrdzavejúcej ocele je jej odolnosť proti koróznemu praskaniu pod napätím lepšia ako u štandardnej austenitickej nehrdzavejúcej ocele.

 

1.4 Martenzitická nehrdzavejúca oceľ:

Mikroštruktúra martenzitickej nehrdzavejúcej ocele je hlavne martenzit, ktorý môže obsahovať malé množstvo sekundárnych fáz, ako je ferit, austenit a karbid. Martenzitická nehrdzavejúca oceľ je feromagnetická a podobná uhlíkovej oceli. Konečná tvrdosť závisí od konkrétneho tepelného spracovania. Martenzitická nehrdzavejúca oceľ má vysokú pevnosť, dobrú odolnosť proti opotrebeniu, zlú húževnatosť a vysokú ťažnú a krehkú prechodovú teplotu. Je ťažké ich zvárať a vo všeobecnosti vyžadujú tepelné spracovanie po zváraní. Preto je martenzitická nehrdzavejúca oceľ vo všeobecnosti obmedzená na nezváracie aplikácie. Obsah chrómu v martenzitickej nehrdzavejúcej oceli nie je príliš vysoký. Niektoré prvky chrómu sa vyzrážajú vo forme karbidov, čo má za následok nízku odolnosť proti korózii, vo všeobecnosti nižšiu ako štandardná austenitická nehrdzavejúca oceľ 304/304L. Kvôli svojej nízkej húževnatosti a odolnosti voči korózii sa martenzitická nehrdzavejúca oceľ všeobecne používa na aplikácie vyžadujúce vysokú pevnosť a tvrdosť, ako sú nástroje, spojovacie prvky a hriadele.

 

1.5 Precipitačná kalená nehrdzavejúca oceľ:

Nerezová oceľ vytvrdzovaná zrážaním (PH) môže byť spevnená aj tepelným spracovaním. Základnou vlastnosťou tohto typu nehrdzavejúcej ocele je, že jej čiastočné spevnenie je dosiahnuté precipitačným mechanizmom. Jemné intermetalické precipitáty sa vyrábajú tepelným spracovaním vytvrdzovaním starnutím na zlepšenie pevnosti. Vďaka vysokému obsahu chrómu má precipitačná kalená nehrdzavejúca oceľ lepšiu odolnosť proti korózii ako martenzitická nehrdzavejúca oceľ a je vhodná pre vysokopevnostné aplikácie vyžadujúce dobrú odolnosť proti korózii. Nerezová oceľ vytvrdzovaná zrážaním sa používa hlavne na pružiny, spojovacie prvky, časti lietadiel, hriadele, ozubené kolesá, vlnovce a časti prúdových motorov.

 

2. Fázové zloženie:

Legujúce prvky ovplyvňujú vzťah fázovej rovnováhy a majú silný vplyv na stabilitu austenitovej, feritovej a martenzitovej fázy. Prvky pridávané do nehrdzavejúcej ocele možno rozdeliť na prvky tvoriace feritovú fázu alebo prvky tvoriace austenitickú fázu. Fázová rovnováha závisí od chemického zloženia, teploty žíhania a rýchlosti ochladzovania ocele. Odolnosť proti korózii, pevnosť, húževnatosť, zvárateľnosť a tvárnosť sú ovplyvnené fázovou rovnováhou.

Feritotvorné prvky prispievajú k tvorbe feritovej fázy, zatiaľ čo prvky tvoriace austenit podporujú tvorbu austenitickej fázy. Tabuľka 3 uvádza bežné prvky tvoriace feritovú a austenitovú fázu. Druh nehrdzavejúcej ocele a jej použitie určujú požadovanú fázovú rovnováhu. Väčšina štandardných austenitických nehrdzavejúcich ocelí má pri rozpúšťacom žíhaní malé množstvo feritovej fázy. Roztokové žíhanie môže zlepšiť zvárateľnosť a húževnatosť pri vysokej teplote. Ak je však obsah feritovej fázy príliš vysoký, znížia sa ďalšie vlastnosti, ako je odolnosť proti korózii a húževnatosť. Vysokovýkonná austenitická nehrdzavejúca oceľ je navrhnutá pre všetky austenitické fázy v podmienkach rozpúšťacieho žíhania.

 

Na kontrolu fázového zloženia ocele a tým aj vlastností ocele je potrebné udržiavať legovacie prvky v rovnováhe. Schaefflerov štruktúrny diagram (obr. 5) odráža vzťah medzi chemickým zložením nehrdzavejúcej ocele a očakávanou fázovou štruktúrou v stave tuhnutia, ako to ukazuje mikroštruktúra zvaru. Používatelia tak môžu predpovedať fázovú rovnováhu na základe daného chemického zloženia. Vypočítajte „ekvivalent niklu“ a „ekvivalent chrómu“ z chemického zloženia a zakreslite ich do obrázku. Vzorec spoločných parametrov organizačnej schémy Schaeffler je nasledujúci:

Ekvivalent niklu {{0}} percent Ni plus 30 percent C plus 0,5 percenta Mn plus 30 percent N

Ekvivalent chrómu{{0}} percent Cr plus percent Mo plus 1,5 percent Si plus 0,5 percent Nb

Typická vysokovýkonná austenitická nehrdzavejúca oceľ obsahuje asi 20 percent Cr, 6 percent Mo, 20 percent Ni a 0,2 percenta N, ktorá sa nachádza v jednofázovej zóne austenitickej fázy na obrázku, blízko „feritického " čiara s ekvivalentom niklu približne 24 a ekvivalentom chrómu približne 26. Na rozdiel od toho chemické zloženie štandardnej nehrdzavejúcej ocele (napríklad 304) zodpovedá duplexnej zóne austenitu plus feritu (A plus F) s malým množstvom feritu fáza. Feritická nehrdzavejúca oceľ je na obrázku v zóne feritovej fázy a duplexná nehrdzavejúca oceľ je v duplexnej zóne austenit plus ferit (A plus F).